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電動助力轉(zhuǎn)向管柱的結(jié)構(gòu)性能及仿真
2020-12-30 22:56:19· 來源：上汽安全與CAE技術(shù)
HWH上汽安全與CAE技術(shù)前天1 前言近年來，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）在各車型中的應用越來越廣泛，己成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場的主體，占比達到半數(shù)以上。EPS主要由電動轉(zhuǎn)向
1 前言
近年來，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）在各車型中的應用越來越廣泛，己成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場的主體，占比達到半數(shù)以上。EPS主要由電動轉(zhuǎn)向管柱和機械轉(zhuǎn)向機組成（如圖1所示），其中電動助力轉(zhuǎn)向管柱作為傳遞轉(zhuǎn)向意圖到車輪的部件，具有減少路面?zhèn)鬟f給駕駛員噪音和振動的功能，還可以在車輛發(fā)生碰撞時充分吸能，是決定汽車行駛安全性與可靠性的關(guān)鍵部件，這就要求轉(zhuǎn)向管柱在設(shè)計時需要同時滿足嚴格的剛強度，模態(tài)和潰縮要求。本文重點介紹轉(zhuǎn)向管柱開發(fā)過程中的結(jié)構(gòu)性能及仿真。
圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意[1]
2 轉(zhuǎn)向管柱模態(tài)
轉(zhuǎn)向管柱的振動主要是由發(fā)動機怠速工況下產(chǎn)生，在城市行車過程中由于紅燈、交通堵塞等經(jīng)常需要停車，汽車長時間處于發(fā)動機怠速狀態(tài)，如果方向盤振動過大，超過駕駛員對振動的感知閾值，會使駕駛員感覺焦躁不安。此外，若轉(zhuǎn)向管柱怠速振動過大，還會引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及周邊零件的振動，加速零件的損壞，影響零件之間的裝配關(guān)系，從而影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常工作。為避免電動助力轉(zhuǎn)向管柱在怠速下產(chǎn)生抖動，電動助力轉(zhuǎn)向管柱的固有頻率應避開發(fā)動機怠速激振頻率區(qū)間。對于常見的四缸四沖程發(fā)動機，其發(fā)動機怠速激振頻率可以通過下式進行計算。
式中，f0為發(fā)動機怠速激勵頻率，N為發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速，i為發(fā)動機氣缸數(shù)。
發(fā)動機低頻激勵下轉(zhuǎn)向管柱產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形形式稱為其模態(tài)振型，且每一階模態(tài)振型都對應一個固有頻率，當激勵與固有頻率相同或相近時即發(fā)生共振。固有頻率和模態(tài)振型是轉(zhuǎn)向管柱的固有屬性，僅與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和邊界條件有關(guān)。對轉(zhuǎn)向管柱進行模態(tài)分析，可以得到轉(zhuǎn)向管柱的固有頻率和對應的模態(tài)振型。由于轉(zhuǎn)向管柱結(jié)構(gòu)比較復雜，一般以多自由度系統(tǒng)處理。對一個具有個自由度的無阻尼系統(tǒng)而言，它具有 個固有頻率，任一瞬時的運動形態(tài)要用個獨立的廣義坐標來描述，系統(tǒng)的運動微分方程一般是個相互耦合的二階常微分方程組成的方程組。當系統(tǒng)所受外力為零時，自由度系統(tǒng)的固有振動方程為
式中，M、K分別為質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，ü、u分別為加速度和位移向量。這個系統(tǒng)的固有頻率為
如圖2和圖3所示為管柱一階水平模態(tài)和一階垂直模態(tài),一般對管柱系統(tǒng)的模態(tài)要求為：垂直和水平的一階模態(tài)不得低于40-50Hz,具體根據(jù)項目要求而定。
圖2 水平模態(tài)振型
圖3 垂直模態(tài)振型
3 轉(zhuǎn)向管柱剛強度
轉(zhuǎn)向管柱作為機械產(chǎn)品，其產(chǎn)品設(shè)計在一定的工作條件，如額定載荷、過載等情況下，其結(jié)構(gòu)剛強度如何，能否滿足在工作載荷下不發(fā)生失效破壞，不發(fā)生過大變形影響工作性能等。因此，對轉(zhuǎn)向管柱結(jié)構(gòu)校核是很有必要的。在滿足剛強度要求的前提下，對產(chǎn)品進行一些優(yōu)化，還可以帶來諸如節(jié)省材料等經(jīng)濟方面的益處，有限元分析包括剛度分析和靜扭強度分析。
對于不同的車型和管柱結(jié)構(gòu)，客戶對系統(tǒng)有不同的剛度要求。系統(tǒng)剛度越高越能夠迅速將駕駛員手部的轉(zhuǎn)向扭矩及時準確地傳遞到輪胎上，獲得理想的系統(tǒng)響應，提高用戶的體驗。剛度的一般測量方法為將轉(zhuǎn)向管柱按照實車狀態(tài)固定，在轉(zhuǎn)向軸前端分別沿垂直和水平方向雙向加載，并測量轉(zhuǎn)向軸雙向偏移的距離，獲得轉(zhuǎn)向管柱水平和垂直方向的剛度，并確保其均滿足技術(shù)要求。如圖4所示為經(jīng)過擬合后的轉(zhuǎn)向管柱水平方向剛度曲線，直線的斜率為平均剛度。如圖5所示為轉(zhuǎn)向管柱剛度分析有限元模型。
圖4 轉(zhuǎn)向管柱剛度曲線[5]
圖5 剛度有限元模型
電動助力轉(zhuǎn)向管柱轉(zhuǎn)向電機安裝于管柱，中間軸要承受所有的齒條力，對其強度的要求較高，此外轉(zhuǎn)向管柱連接方向盤和轉(zhuǎn)向機，把扭矩傳遞給轉(zhuǎn)向機，所以在開發(fā)過程中對轉(zhuǎn)向管柱有一定的靜扭強度要求。靜扭強度的試驗方法為將轉(zhuǎn)向管柱按照實車狀態(tài)固定，在轉(zhuǎn)向軸前端施加扭矩，并滿足一定的技術(shù)要求。如圖6所示為靜扭強度有限元分析模型，圖7為靜扭強度云圖。
圖6 靜扭強度有限元模型
圖7 靜扭強度云圖
4 轉(zhuǎn)向管柱潰縮吸能
汽車發(fā)生碰撞的過程中，汽車與外界障礙物之間發(fā)生的碰撞通常稱作“第一次碰撞”，第一次碰撞發(fā)生后，人體由于慣性而發(fā)生相對于汽車的運動，與汽車內(nèi)部各種機構(gòu)發(fā)生的碰撞稱為“第二次碰撞”。為了減少人體與方向盤發(fā)生碰撞給駕駛員帶來的傷害，轉(zhuǎn)向管柱一般都帶有潰縮吸能機構(gòu)。目前轉(zhuǎn)向管柱主要通過以下4方面吸能機理來吸收碰撞能量:1.材料的彎曲, 2.材料的變形, 3.接觸摩擦, 4.脫開或斷開（脫鉤、剪斷、折斷）。通常情況下轉(zhuǎn)向管柱潰縮吸能結(jié)構(gòu)是以上吸能機理中的綜合組合形式，根據(jù)產(chǎn)品需要而設(shè)計，以達到最優(yōu)的組合，最好的吸能效果。
根據(jù)我國GB11557標準人體模塊碰撞實驗（BBT Body Block Test）中模塊最大受力不得超過11123N。最大受力主要是由以下因素決定的：管柱系統(tǒng)的剛度、管柱系統(tǒng)的潰縮啟動力、潰縮滑動力以及潰縮行程。準靜態(tài)潰縮實驗首先將轉(zhuǎn)向管柱按照實車安裝點安裝在試驗臺上，使用壓機以某一固定的速度壓向轉(zhuǎn)向軸，直到滿足壓潰行程的要求，并記錄力與行程的關(guān)系，圖8所示為潰縮力與行程的關(guān)系，圖9所示為準靜態(tài)潰縮有限元分析模型。
圖8 力與行程的關(guān)系[6]
圖9 潰縮有限元模型
由圖8可知，潰縮力一般包括兩部分，第一部分為啟動峰值力，當壓力超過某一閥值后，潰縮系統(tǒng)才可以啟動，以避免正常工況下不必要的變形和位移。第二部分為滑動部分，滑動距離要滿足最小值，滑動距離過小會增加對駕駛員的傷害；滑動力要落在某個區(qū)間，因為滑動力過小說明吸能不夠充分，滑動力過大不能完全潰縮，都會對駕駛員產(chǎn)生較大的傷害。
5 總結(jié)
轉(zhuǎn)向管柱是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要組成部件，其性能影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常工作，影響汽車品質(zhì)，所以采用有限元對轉(zhuǎn)向管柱進行仿真分析很有必要，可以快速迭代性能，對性能進行優(yōu)化，保證轉(zhuǎn)向管柱的開發(fā)質(zhì)量。
參考文獻
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